吳躍鋒

(湖南省林產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心，湖南 長沙 410007)

脲醛樹脂膠黏劑生產(chǎn)過程智能控制系統(tǒng)的研制

吳躍鋒

(湖南省林產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心，湖南 長沙 410007)

脲醛樹脂膠黏劑的制備過程具有時(shí)變性、非線性、滯后性等特點(diǎn)，并且它的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)難以確定。針對傳統(tǒng)的PID控制很難滿足生產(chǎn)工藝對溫度、時(shí)間等指標(biāo)的控制要求，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，控制效果不佳，產(chǎn)品質(zhì)量很難保證等問題。采用先進(jìn)的模糊控制與常規(guī)的PID控制相結(jié)合的控制方法，研制出脲醛樹脂膠黏劑生產(chǎn)過程智能控制系統(tǒng)。經(jīng)模擬仿真實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)精度高、響應(yīng)速度快、超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn)。

脲醛樹脂；膠黏劑；生產(chǎn)過程；智能控制系統(tǒng)

脲醛樹脂膠黏劑的生產(chǎn)是樹脂的合成過程，是一種合成高分子反應(yīng)，其內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理較為復(fù)雜[1]。利用自動控制技術(shù)，通過控制其過程參數(shù)來控制整個(gè)反應(yīng)過程，是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低勞動強(qiáng)度最有效的方法。由于反應(yīng)過程的自放熱、大時(shí)滯且非線性的特點(diǎn)，無法建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)的、單一的控制方法很難滿足生產(chǎn)工藝的要求，導(dǎo)致生產(chǎn)的膠黏劑質(zhì)量不穩(wěn)定。本研究通過對膠黏劑的生產(chǎn)過程特性進(jìn)行分析，研制出脲醛樹脂膠黏劑生產(chǎn)過程智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用模糊控制與常規(guī)的PID(Proportion Integration Differentiation)控制的優(yōu)點(diǎn)，采用復(fù)合控制，克服了單一控制的不足，使得控制系統(tǒng)具有全面優(yōu)良的性能。通過多次生產(chǎn)實(shí)踐表明：該系統(tǒng)具有操作簡單、動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

生產(chǎn)脲醛膠的整個(gè)工藝流程圖見圖1。該系統(tǒng)主要由反應(yīng)釜、檢測和控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)組成。制膠的整個(gè)過程是以化學(xué)反應(yīng)釜為核心，其釜內(nèi)溫度控制的效果是決定膠黏劑質(zhì)量的關(guān)鍵[2]。首先通過料位控制將反應(yīng)物按一定的比例投放到反應(yīng)釜中并進(jìn)行混合，當(dāng)需要升溫時(shí)，向反應(yīng)釜的夾套中通以一定的高壓蒸汽，使釜內(nèi)物料的溫度升高；當(dāng)釜內(nèi)溫度到達(dá)預(yù)定溫度后停止加熱；當(dāng)需要降溫或帶走多余熱量時(shí)，可向釜的夾套層注入冷卻水。

圖1 制膠工藝流程圖

圖2 制膠溫度工藝曲線

圖3 模糊PID復(fù)合控制原理框圖

圖4 系統(tǒng)硬件組成框圖

圖5 系統(tǒng)軟件框圖

生產(chǎn)脲醛膠的整個(gè)反應(yīng)過程的溫度工藝曲線見圖2。整個(gè)生產(chǎn)過程包括：反應(yīng)物的輸入及混合攪拌、加熱升溫、恒溫保持、冷卻降溫等過程。反應(yīng)過程中會放出大量的反應(yīng)熱，并且反應(yīng)的放熱速度與反應(yīng)溫度之間是一種正反饋?zhàn)约さ年P(guān)系[3]，隨著溫度的升高，反應(yīng)速度加快，會放出更多的熱量。因此，如何使釜內(nèi)溫度在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)更快、更準(zhǔn)確到達(dá)工藝要求的溫度并保持穩(wěn)定是整個(gè)生產(chǎn)過程控制的關(guān)鍵。如果反應(yīng)溫度偏高或偏低，都會影響反應(yīng)深度，從而降低產(chǎn)品質(zhì)量。

2 系統(tǒng)控制方案

2.1 控制對象的特性

脲醛樹脂膠黏劑的生產(chǎn)過程是高分子化合物的聚合過程，其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理較為復(fù)雜，主要有以下特性[4]：①時(shí)滯性很大。對間歇式反應(yīng)釜，一般在反應(yīng)之初往夾套中通熱蒸汽，使釜內(nèi)達(dá)到所需的溫度；在反應(yīng)過程中伴有很強(qiáng)的熱效應(yīng)，使釜內(nèi)溫度急劇升高，為保持溫度，往夾套中注入冷水帶走多余的熱量。由于反應(yīng)釜與外界的熱交換主要依靠反應(yīng)釜的間壁進(jìn)行，使釜內(nèi)的升溫和降溫具有很大的時(shí)滯性。②時(shí)變性和非線性。整個(gè)生產(chǎn)過程是一個(gè)典型的非線性，化學(xué)反應(yīng)的速度變化很大，反應(yīng)速度大時(shí)，放出的熱量就多，導(dǎo)到過程增益、慣性時(shí)間、純遲后也會發(fā)生變化。③反應(yīng)過程的復(fù)雜性。樹脂的形成過程是一個(gè)復(fù)雜的高分子反應(yīng)過程，在反應(yīng)過程中，受很多因素的影響，參數(shù)值及精確的數(shù)學(xué)模型很難確定。

2.2 系統(tǒng)控制方案

針對被控對象的時(shí)變性、非線性、滯后性的特點(diǎn)，充分利用PID控制器和模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)，研究出采用PID控制和模糊控制相結(jié)合的智能型復(fù)合控制方案[5]。模糊PID復(fù)合控制系統(tǒng)的原理框圖見圖3。系統(tǒng)過程控制由2部分組成：常規(guī)PID控制器和模糊控制器。當(dāng)系統(tǒng)處于快速升溫或快速降溫階段時(shí)，采用模糊控制器控制，發(fā)揮其動態(tài)性能好、超調(diào)量小、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)：當(dāng)系統(tǒng)處于恒溫保溫階段，采用PID控制器控制，發(fā)揮其穩(wěn)態(tài)控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。在2個(gè)控制器之間設(shè)置了“軟”自動切換開關(guān)S，通過偏差e與設(shè)定的“閥值ε”進(jìn)行比較的結(jié)果來決定采用哪種控制方式。閥值ε通過反復(fù)試驗(yàn)測定得到。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件以89C51單片計(jì)算機(jī)為核心，由物料輸入控制與輸出控制、釜內(nèi)溫度采集電路和環(huán)境溫度采集電路、驅(qū)動控制電路、RS232接口及鍵盤顯示電路等幾部分組成[5](圖4)。

物料的輸入控制包括固體物料、液體物料均可通過電子稱重計(jì)量，將物料按要求通過輸送泵自動加入到反應(yīng)釜中。

環(huán)境溫度的采集采用DS18B20單線集成溫度傳感器，不需要A/D轉(zhuǎn)換電路，內(nèi)含溫度傳感器，測溫速度快、精度高、互換性好，與單片機(jī)的1位I/O線相連，極大地節(jié)省了單片機(jī)的I/O口線，且傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)[6]。

反應(yīng)釜內(nèi)溫度采用熱電偶檢測，接口芯片采用MAX6675，它內(nèi)部具有信號調(diào)節(jié)放大器、12位模擬/數(shù)字化熱電偶轉(zhuǎn)換器、冷端補(bǔ)償傳感和校正、數(shù)字控制器等。通過該芯片可將溫度信號直接傳送給單片機(jī)。

加熱閥和冷卻閥的開度控制[6]，采用MAX518接口芯片，MAX518具有D/A轉(zhuǎn)換，并模擬輸出經(jīng)精密跟隨器，使輸出電壓范圍為0V～VDD，且具有兩路D/A輸出，正好輸出控制2個(gè)調(diào)節(jié)閥。在工業(yè)控制中，常常以電流方式傳輸信號，因?yàn)殡娏鱾鬏斔p少，抗干擾能力強(qiáng)[7]。該系統(tǒng)采用AD649芯片實(shí)現(xiàn)V/I轉(zhuǎn)換，它能將電壓信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號。調(diào)節(jié)閥接收到控制器送來的信號，調(diào)節(jié)閥由電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)根據(jù)輸入的電流信號，改變閥芯與閥座間的流通面積，全面調(diào)節(jié)工藝介質(zhì)的流量。

鍵盤與顯示電路，本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有良好的人機(jī)界面，主要由9個(gè)按鍵和4個(gè)LED顯示器組成，用戶可通過鍵盤將被控對象的工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

4 系統(tǒng)控制方案

人造板膠黏劑生產(chǎn)過程智能控制系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，它具有庫函數(shù)豐富、運(yùn)算速度快、占資源少、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)主要由主程序、鍵盤輸入子程序、物料控制子程序、溫度采集子程序、定時(shí)器中斷子程序、輸出控制子程序、PID控制子程序、模糊控制子程序組成(圖5)。

5 模擬仿真實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)應(yīng)用情況

5.1 模擬仿真實(shí)驗(yàn)

取脲醛樹脂膠黏劑生產(chǎn)過程傳遞函數(shù)為：G(t)=4e-5s/(2t+1)(5t+1)，設(shè)定值為+3 ℃。在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)模擬仿真對比研究[8]。分別單獨(dú)采用PID控制、模糊控制系統(tǒng)的仿真圖見圖6，從圖6可以看出：PID控制超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時(shí)間長，動態(tài)性能差，但穩(wěn)態(tài)性能好；模糊控制則相反，動態(tài)性能很好，上升速度快，基本沒有超調(diào)，但控制精度低，誤差大，穩(wěn)態(tài)性能差。模糊PID復(fù)合控制仿真圖見圖7。該系統(tǒng)采用模糊自校正PID控制方案，使系統(tǒng)既具有模糊控制的靈活性而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制穩(wěn)態(tài)精確度高的特點(diǎn)，使系統(tǒng)響應(yīng)速度快，過渡時(shí)間短，對參數(shù)的變化具有很強(qiáng)的穩(wěn)健性，具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性。

5.2 生產(chǎn)應(yīng)用情況

該系統(tǒng)己在湖南資興市興鑫木業(yè)有限責(zé)任公司和湖南桃江縣湘益木業(yè)有限公司中應(yīng)用。以前，2個(gè)企業(yè)采用常規(guī)儀表進(jìn)行控制，生產(chǎn)過程中各參數(shù)指標(biāo)很難滿足生產(chǎn)工藝的需求，造成生產(chǎn)的膠黏劑中游離甲醛含量超標(biāo)和膠合強(qiáng)度達(dá)不到國標(biāo)的要求，導(dǎo)致生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量不合格，采用同樣配方、同樣工藝，生產(chǎn)的膠黏劑性能差異很大。通過將制膠生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行升級換代，將原采用常規(guī)儀表控制，改用本系統(tǒng)進(jìn)行控制。幾個(gè)月的運(yùn)行情況證明：本系統(tǒng)大大降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率；采用復(fù)合控制技術(shù)，使反應(yīng)釜內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度的偏差控制在±1 ℃以內(nèi)，動態(tài)跟蹤誤差在±2.5 ℃內(nèi)，生產(chǎn)的脲醛樹脂膠黏劑質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率大幅提高。

圖6 分別單獨(dú)采用模糊控制或PID控制仿真圖圖7 模糊PID復(fù)合控制仿真圖

6 小結(jié)

實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果證明：脲醛樹脂膠黏劑生產(chǎn)過程智能控制系統(tǒng)，采用模糊PID復(fù)合控制原理，吸收了兩者的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了兩者的缺陷，不僅改善了系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，而且具有更好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)嚴(yán)格按照工藝曲線的要求工作，生產(chǎn)的膠黏劑質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量大幅提高，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1]張忠濤，齊愛華.木材工業(yè)用脲醛樹脂膠黏劑生產(chǎn)的工藝研究[J].林產(chǎn)工業(yè)，2009，36(2)：38-41.

[2]王毓秀，鄧介凡.膠黏劑生產(chǎn)工藝[M].北京：林業(yè)出版社，1997.

[3]于海英,侯九陽,喬付.化學(xué)反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的研究[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，30(4)：25-28.

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Development of Intelligent Control System for Production Process ofUrea-formaldehyde Resin Adhesive

WU Yue-feng

(CentralofHunanForestProductsQualityInspectionandTesting，Changsha410007，Hunan，China)

The Process of preparing urea-formaldehyde resin adhesive has the characteristics of time-varying，non-linearity and hysteresis，whose mathematical models and parameters are difficult to determine.The traditional PID control is difficult to meet the requirements of temperature，time and other indicators for production process，which result in a series of problems of system instability，ineffective control，product quality difficult to guarantee and so on.In this paper，an intelligent control system for production process of urea-formaldehyde resin adhesive was developed by using a composite control method which combines fuzzy control with conventional PID control.By the simulation experiment and application in productive practice，the results show that the system has the advantages of high steady-state accuracy，fast response，small overshoot and so on.

urea-formaldehyde resin；adhesive；production process；intelligent control system

2014-04-13；

2014-05-10

湖南省科技支撐計(jì)劃(2013NK2015)

吳躍鋒(1963—)，男，湖南漣源人，湖南省林產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心副研究員，從事木材加工和自動控制系統(tǒng)方面的科研與設(shè)計(jì)。E-mail：hncs_wyf@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.01.020

TP273+.3；TQ433.4+3

A

1002-7351(2015)01-0092-04